软弱岩溶富水围岩地段帷幕注浆施工工法

PAGEPAGE12软弱岩溶富水围岩地段帷幕注浆施工工法中铁十七局集团四公司广大铁路项目部刘凯1.前言隧道工程既是道路构造物又是地下工程，它涉及结构、岩土、地下水等多种学科。岩土的开挖与支护具有一定的隐蔽性。在施工中不免会遇到软弱地质岩溶隧道充填软塑状黏土、岩溶、地下水、暗河发育，极易发生塌方、突水、突泥等地质灾害。我们在广大铁路项目祥和隧道软弱岩溶富水围岩地段采用帷幕注浆处理，取得良好效果，经总结形成本工法。2.工法特点2.1施工质量可靠。本工法对各类软弱地质围岩地段及点、线状出水段进行处治效果好。2.2安全性高。本工法利用超前地质预测预报手段进行预测，根据预测结果采用科学开挖支护及帷幕注浆施工技术，对软弱地质岩溶隧道充填软塑状黏土、岩溶、地下水、暗河发育，极易发生塌方、突水、突泥等地质灾害起到有效超前控制。2.3有利于环水保。本工法在建设施工过程中能够真正将地表水的扩散进行有效地拦截使地下水与周围给水能够“绕道而行”，真正将表土层的稳固性进行有效的加强，在进行施工质量不断提升的同时也能够使整体性的建设施工环境保持相对的稳定。3.适用范围适用于发育较大的岩溶腔体或暗河腔体，极有可能发生突水、突泥等严重地质灾害地段的施工处治。4.工艺原理注浆材料在外力作用下渗入到岩土的裂隙中，与岩土充分结合并发生化学作用形成一个整体，并对各类软弱地质围岩地段起到粘合作用；对点、线状出水段进行封堵。一般，压力越大，注入的浆液量越多，扩散的距离越远，加固效果也就越好。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程注浆参数设计注浆参数设计浆液配制钻机就位钻孔埋设孔口管注浆泵就位管路连通试水结束注浆效果检查注浆下注浆管Y补充注浆N浆液制备超前地质预报布孔 图5.1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1超前地质预报1、超前地质预报方法的分类超前地质预测预报技术基本采用钻探和物理勘探两种方法，探明隧道的基本地质情况，是保证复杂岩溶隧道施工安全的一种重要手段。针对祥和隧道的特点、设备及现场实际情况，在施工中采用了TSP203、红外探水、地质雷达、超前炮眼、超前水平钻和常规地质分析等综合超前地质预测预报方法。各种方法有自身优点和适用范围，也有其局限性。1)地质素描及观察法预测预报技术地质素描及观察贯穿于隧道施工全过程，全范围，由具有地质素描专业知识及技能的地质员担任，每次掘进循环后尚未进行喷射混凝土支护前，对掌子面及开挖周边围岩进行观察记录，判别岩性，用罗盘仪、钢尺等器具测量岩层的走向、倾角、厚度，描绘纵、横剖面图，测量岩层渗水量，及时填写围岩类别判定卡。2)TSP-203探测法预测预报技术TSP-203地质超前预报系统测线设在工作面附近的边墙上，由两个接收器孔和24个炮孔组成。两个接收器孔对称分布在两侧边墙，24个炮孔等间距分布在一侧边墙。在数据采集前，钻孔、接收传感器套管的安装，以及接受气孔、炮孔的倾向、倾角和各控基准点的测量可先期完成。这些准备工作不影响正常施工，可与隧道施工作业同时进行。爆破点沿着隧道一侧洞壁平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m，孔深1.5m～2.0m.距最后一个爆破点15m～20m设接收点，接收点孔深2.0m，孔口距隧底约1.0m与炮孔等高。接收器孔向上倾斜5°～10°,炮孔向下倾斜15°～20°。根据围岩软硬和完整破碎程度以及接受器位置的远近，每个炮孔装药50g～100g。炸药为高爆速炸药，雷管采用零延时电雷管。接收点的接收传感器将所接收的反射波数据，发送到记录仪储存。利用软件对储存数据进行处理，形成相关界面的隧道映象点图，通过分析获得前方的地质情况。3)地质雷达探测法预测预报技术地质雷达或ZGS型智能工程探测仪探测范围为前方30m内，可作为TSP地质预报系统的主要辅助手段。准确探测距离为不大于30m,因此探测频率取1次/30m。地质雷达数据处理的目的是排除随机和规则的干扰，以最大可能的分辩率在图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种参数，包括振幅、波形、频率等帮助判释。资料判释方法：地质雷达反映的是地下介质的电性分布，将其转化为地质体分布时必须把地质、钻探、地质雷达记录这三方面的资料有机结合，以此获得检测对象的整体状况。4)红外线探测法预测预报技术采用HY-303红外线探测仪，预报掌子面前方可能出现的不良地质体的性质、位置、地下水的活动规律、地下水的压力、储量等含水构造。探测准确距离一般为20m,因此探测频率取1次/20m。进入探测地段，沿隧道边墙以5m点距用粉笔或油漆标好探测顺序号直至掘进工作面。在掘进工作面，先对前方探测。在返回的路径上，每遇到一个顺序号，就站在隧道中央，分别用仪器的激光器打出光斑，使光斑落在左侧边墙中心位置、拱部中线位置、右侧边墙中心位置、隧底中线位置，并扣动扳机分别读取探测值，做好记录。然后转入下一序号点，直至全部探完。也可以在掘进断面自上而下测五排数据，每排五个点，做好记录，进行对比。5)超前探孔配合TSP203预测预报技术在工程地质与水文地质较复杂地段，仅靠TSP203系统不能完全满足施工需要，采用隧道专用钻机进行超前水平钻探，来探明开挖前方的煤层、瓦斯、断层、溶腔、突水、涌泥等不良地质。超前水平钻探法探测的距离长，探明的不良地质距工作面较远，便于提前调整施工方案和技术措施。施工超前地质预测预报方法比较如表5.2.1所示。各种预测预报手段组合方案见图5.2.表5.2.1测报方法优点缺点TSP203（1）一次预报距离长，在软岩条件下探测距离100～150m，在硬岩条件下探测距离150～200m；（2）对断层破碎带构造预报准确度较高。（1）对岩溶预报准确度不高；（2）对地下水无法预报；（3）预报精度20％左右；（4）与操作人员素质有关，受环境影响较大；（5）费用较高。地质雷达（1）对断层破碎带有较高的预报准确性；（2）花费时间少；（3）施工干扰小。（1）对地下水无法预报，一次预报距离短，一般10～40米；（2）预报范围狭窄；（3）对岩溶预报准确性不高。超前水平钻探（1）预报距离可根据现场实际情况选择，宜为40～80米；（2）预报准确性高，直接；（3）费用较低。（1）施工不方便；（2）占用时间长；（3）作业环境差；（4）空位偏差带来完全相反的结果。红外探水（1）对水构造能定性判断；（2）费用低；（3）耗时少。（1）对水量大小无法预测，对断层破碎构造无法预报；（2）预报距离短；（3）进度较低。超长炮眼（1）灵活、方便，对整个掌子面前方5米范围的情况预报比较准确；（2）能保证岩盘厚度；（3）不需专门的钻机，用风枪即可。预报距离短，5米左右。地质素描利用开挖地质情况，分析前方地质。与地质工作人员素质、经验有关。图5.2.2、超前地质预测预报原则隧道施工超前地质预测预报是隧道施工很重要的环节，本着“地表和洞内相结合、构造探测和水探测相结合、长中短期分阶段预报相结合”的“三结合”原则，做到有疑必探、先探后掘。3、超前地质预测报效果评价通过综合超前地质预测预报技术，断层构造带的实际情况与预报结果基本符合。根据预报的结果，提前采取措施，有效规避了风险，保证了隧道的施工安全。5.2.21、注浆加固范围：隧道注浆加固范围按隧道埋深、地下水压力和浆液固结体强度来确定，通常拱部为开挖轮廓线外3～5m，边墙为开挖轮廓线外2～3m。2、注浆段长：注浆段长一般应按钻孔设备的工作能力确定，保证注浆后有一定的开挖长度（包括止浆墙厚度），并满足：L=(3～5)D（5.式中：L为注浆段长(m)，D为注浆加固范围。3、止浆墙厚度：止浆墙（B）厚度应满足注浆压力的要求，一般按下式确定：B=(0.2～0.3)L（5.2.4、注浆孔间距：注浆孔的布设应满足注浆加固范围的要求，在帷幕注浆设计中，注浆孔应全断面布设，注浆孔间距一般应满足下式：a＝R（5.2.2式中，a为注浆终孔间距（m）；R为浆液扩散半径（m）根据试验确定，一般取2～4m。5、浆液胶凝时间：浆液胶凝时间一般地段为3min，富水地段为30～50s。6、注浆终压：注浆终压为1～1.5MPa。7、注浆量：一般按注浆范围内围岩体积5%左右考虑，实注量由钻孔压水试验确定。5.2.31、主要材料介绍注浆材料一般选用普通水泥、超细水泥、超细水泥+水玻璃等。1)超细水泥由于超细水泥比表面积大，有较高的化学活性，能较快地凝结固化，可获得早期和后期强度。同龄期强度相比，比普通水泥高20%左右。2)耐久性水泥－水玻璃浆液（简称C-S浆）料源广，价格便宜，结石强度高，结石率大，凝胶时间可控，是理想的注浆材料。其缺点是结石体稳定性较差，特别在干燥地层条件下易风化崩解，不适用于做永久性堵水加固材料。浆液配合比：水灰比（W/C）为0.8；水玻璃稀释浓度为25～35；双液体积比（C/S）为1：0.5～0.7。4.5超细水泥——水玻璃双液浆的配制根据预配制浆液的体积，分别计算出所需要的超细水泥浆和水玻璃浆的体积，计算公式如下：（5.2.3（5.2.3式中，VMC为超细水泥浆的体积（m³），Vs为水玻璃的体积（m³），V为超细水泥-水玻璃双液浆的体积（m³），m为超细水泥浆和水玻璃浆的体积比。2、配制浆液在裂隙较发育，对于堵水,特别是水压大，流速快的大裂隙，要求浆液的凝结时间短且具有一定的强度，因此我们采用水泥+水玻璃复合浆液（双液浆）注浆并掺加磷酸氢二钠，以根据实际情况调控胶凝时间，浆液的组成及配制方法见表2，一般情况下，水玻璃浓度减小，凝胶时间缩短，并呈直线关系；水灰比越小，水泥与水玻璃反映越快，凝胶时间越短。总的来说，水泥浆越浓，胶凝越快；水玻璃则越稀，胶凝越快。浆液组成配制方法如表5.2.3-1所示。表5.2.3-1浆液组成配制方法原材品种作用用量性能水泥大理滇西P.O42.5(细度0.8%)主剂1凝胶时间可控制在几十秒到几十分钟范围内,抗压强度5～20MPa水玻璃模数3.0,浓度30主剂0.5～1磷酸二氢钠工业品缓凝剂0.01～0.03根据隧道水量大小，经试验得：当水泥及水玻璃体积比在1：1～1：0.5范围内，磷酸氢二钠掺量在0.01～0.03范围内的凝胶时间最适合施作。注浆材料配合比例试验数据如表5.2.3-2所示。表5.2.3-2注浆材料配合比例试验数据原材比例(水:水泥:水玻璃:磷酸二氢钠)凝胶时间固结体抗压强度MPa备注0.7:1:0.7:0.011mis02S9.3水泥与水玻璃比为体积比,其它匀为重量比1:1:0.8:0.021mis16S8.80.7:1:0.8:0.021mis069.5★1:1:0.9:0.021mis38S9.30.6:1:0.9:0.021mis13S10.61:1:1:0.022mis36S8.7根据现场实际情况,我们选用比例1:1:0.9:0.02的浆液进行注浆(表3中带★号栏),当隧道内出水量发生变化时,可在表3中根据所需凝胶时间来选择所需配合比例配制浆液。5.2.在完成现场施工准备后，用红漆在掌子面上按注浆设计画出钻孔位置，并标注编号。注浆布孔布置如图5.2.图5.2．4注浆孔布置示意图5.21、钻机钻具钻孔直径一般为φ70～108mm，钻机一般采用水平地质钻机、锚杆钻机、钻孔台车或管棚钻机钻孔，这些钻机按其机械动作原理分为旋转式钻机和冲击旋转式钻机。旋转式钻机主要用于钻凿中硬岩以下的岩石，特别是在土质、泥岩、风化砂岩等相对软弱的岩层中。在较硬的岩层中则采用冲击旋转钻机比较合适。依据情况可供选择的钻具有：螺旋钻具、潜孔钻具、通用钻具等。2、止浆墙设置为保证注浆施工安全，在掌子面设置30～50cm厚模筑混凝土止浆墙，此后各循环利用已注浆未开挖的岩体代替止浆墙，掌子面用喷射混凝土封闭。每孔孔口套管与孔壁之间用环氧树脂或CS麻丝等充填粘结防止漏浆。3、埋设孔口管为保证注浆孔的钻进方向，一般在孔口段安设钢管套管，套管长3～6m。孔口管位置、方向检查准确无误后，开始钻注浆孔。5.1、在注浆孔按设计位置、深度完成钻孔后，打入带花孔的袖阀套管，再插入带止浆塞的注浆管。袖阀套管两端应安装橡胶皮套，与孔壁密贴，防止注浆浆液漏出。套管出浆孔处使用橡胶皮套作为单向阀套在套管上，保证浆液不回流。设置在掌子面的注浆孔，安装袖阀套管时应采用PVC塑料管，便于隧道掘进。2、止浆塞是实现分段注浆、合理使用注浆压力和控制浆液分布范围、保证注浆质量的一种有效设备，由一组穿在注浆管两端的橡胶胀塞组成，可用机械方法或充气、充水方法使其膨胀。可选用的止浆塞有煤炭部门生产的KWS型止浆塞。在缺乏条件的情况下，也可用橡胶圈代替。注浆结构图如图5.图4注浆结构图图5.5.1、充水试验安装注浆管、注浆泵就位后，先做充水试验。连接注浆管路，用注浆泵先压水检查管路是否漏水，设备状态是否正常，尔后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充塞的密实性，核实岩石的渗透性。2、浆液制备以双液注浆为例，将准备好的水泥、水玻璃浆液按比例分别放在两个容器内，注入符合比例的水进行搅拌，至符合要求。搅拌方式可采用机械或人工拌制。3、注浆作业进行帷幕注浆加固时，注浆方法有前进式注浆和后退式注浆两种方式。前进式注浆主要用于围岩破碎严重，成孔困难及地层软弱的地段，后退式主要用于围岩破碎程度相对稍好的地段。前进式注浆采用分段注浆，每段长度3～5m，钻一段注一段，一直钻孔注浆到设计深度；后退式注浆，钻孔至设计孔深后，插入袖阀套管，再插入带止浆塞的注浆管，接上注浆管路，自孔底到孔口进行分段后退式注浆，每段长度控制在2～3m。前进式注浆施工步骤如图5.2.7-1所示，后退式注浆施工步骤如图5.2.二二图5前进式注浆施工步骤图5前进式注浆施工步骤图图5.2.6图5.2.7-1图5.2.7-25.2注浆结束后，钻孔检查浆液渗透及固结状况，对注浆效果进行检测。为测定地层渗透性，了解注浆效果，以便于提供注浆参数，我们采取压水试验，可在裂隙冲洗后进行，压力为注浆压力的80%，最大1MPa,试验20min，每5min测读一次流量，取最后的流量值作为计算值，结果以透水率表示，按下式计算：q=Q3/L×1/P3（5.式中：q为试段透水率（Lu）；L为试段长度（m）；Q3为第三阶段的计算流量(L/min)；P3为第三阶段的试段压力(MPa)；计算得透水率为93.9%,可注性良好。当孔内出水量小于每延米0.15L/min，岩体的物理力学指标有明显提高时，即可进行下一轮注浆施工。如果注浆效果达不到设计要求，应补充注浆直至符合要求。6.材料与设备6.1主要材料表6.1主要材料表序号材料名称规格型号数量备注1水泥P.O42.5根据注浆量和配合比确定经实验合格后方可使用2水玻璃模数3.03磷酸二氢钠工业级4环氧树脂HGM5水拌合站井水6.2主要设备表6.2主要机具设备表序号机具设备名称规格型号数量备注1水平地质钻机PRD-180CBR1台每个循环作业面2双缸液压式双液泵2ZBYS4.21台3止浆塞KWS根据部眼数量确定7.质量控制7.1注浆时先开水泥浆液泵，一般5min后根据单液进浆量的大小确定凝结时间，再开水玻璃浆液泵。7.2注浆浆液应按先稀后稠、稀浆与浓浆交替、压力与注入浆量相结合的方式进行注浆，注浆压力从低到高逐步增压，凝结时间应先长后短，但不能小于30s。7.3每环注浆先注奇数编号的注浆孔，再注偶数编号的注浆孔，并以偶